Технический бюллетень TNP008 20.01.2010 г. Применение УЗИП класса I+II.

Технический бюллетень TNP008 20.01.2010 г. Применение УЗИП класса I+II.

Зоновая концепция молниезащиты предусматривает установку УЗИП на границах зон с целью уменьшения влияние электромагнитного поля и тока молнии на защищаемое оборудование. В случае защиты оборудования объектов ограниченных размеров допускается объединение зон молниезащиты с установкой на их границах УЗИП нескольких ступеней защиты.

При этом применение многоступенчатой системы защиты электрооборудования объектов от импульсных перенапряжений и помех имеет следующие недостатки:

• Увеличение габаритных размеров схемы защиты из-за установки импульсных разделительных дросселей.

Импульсные разделительные дроссели устанавливаются для координации работы между УЗИП различных классов на каждую фазу и незаземленный нулевой проводник, в случае если расстояние между ними по кабелю электропитания составляет менее 10 м.

• Потеря полезной мощности в импульсных разделительных дросселях.

Потеря полезной мощности в импульсных разделительных дросселях для трёхфазных сетей может достигать нескольких киловатт. Например: однофазный импульсный разделительный дроссель с индуктивностью L= 15 mH и IN = 250 A вносит потерю полезной мощности около 250 Вт при массе 4,5 кг и занимает объём 2 дм³;

• Необходимость отдельной защиты от короткого замыкания УЗИП класса I и УЗИП класса II дополнительными предохранителями.

Дополнительные предохранители для защиты от КЗ УЗИП класса I и УЗИП класса II устанавливаются в цепь УЗИП в случае превышения номинального тока защитного аппарата от КЗ, установленного перед УЗИП, значения номинального тока дополнительного предохранителя, рекомендуемого производителем.

Рис. 1 УЗИП класса I+II серии SPC установленные в ВРУ

С целью устранения указанных недостатков многоступенчатых систем защиты, компанией АО «Хакель» были разработаны компактные и не допускающие потери полезной мощности устройства серии SPC (Surge Protection Compact). Компактность достигается за счет отсутствия необходимости установки импульсных разделительных дросселей между I и II ступенями защиты, а также благодаря применению дополнительных предохранителей при номинальном токе защитного аппарата установленного перед УЗИП менее 315 А. Так как УЗИП серии SPC включаются параллельно нагрузке, то не возникает потери полезной мощности при прохождении тока в фазных проводниках.

УЗИП серии SPC по способности выдерживать токовые нагрузки соответствует УЗИП класса I, согласно ГОСТ IEC 61643-12-2022, а по ограничению переходных напряжений допустимых для оборудования Up – УЗИП класса II. Такие устройства принято называть УЗИП класса I+II.

Для определения способности выдерживать токовые нагрузки УЗИП класса I+II испытываются номинальным разрядным током I_n 8/20 мкс, импульсным напряжением 1,2/50 мкс, импульсным током I_imp 10/350 мкс и максимальным разрядным током I_max 8/20 мкс.

УЗИП класса I+II применяются для защиты оборудования от импульсных перенапряжений, источниками которых являются:

• прямые удары молнии (ПУМ) в систему молниезащиты объекта или линию электропередач;

• межоблачные разряды или удары молнии в радиусе до нескольких километров вблизи от объектов и коммуникаций входящих и выходящих из объекта;

• коммутации индуктивных и емкостных нагрузок, короткие замыкания в распределительных электрических сетях высокого и низкого напряжения.

Устанавливаются в пределах 0A(B) - 1 зон молниезащиты (в соответствии с ГОСТ Р МЭК 62305-1 и CO-153-34.21.122-2003), при воздушном или кабельном вводе, как правило во вводно-распределительных устройствах (ВРУ) или главных распределительных щитах (ГРЩ).

УЗИП серии SPC выпускаются в однофазном и трехфазном исполнении. Применяются в электрических сетях переменного и постоянного тока, с системами заземления типа TN-S, TN-C, TT и IT.

УЗИП состоят из сборок мощных оксидно-цинковых варисторов и газонаполненного разрядника. Для предотвращения аварийных ситуаций связанных с перегревом варисторов в УЗИП устанавливаются терморасцепители, которые разрывают электрическую цепь внутри УЗИП, в случае нагрева варистора до температуры 120 °С. В случае срабатывания терморасцепителя УЗИП подлежит замене.

УЗИП серии SPC имеют визуальную или визуальную и дистанционную сигнализацию рабочего состояния. В наименовании УЗИП, имеющих дистанционную сигнализацию рабочего состояния, присутствует индекс DS.

Например: УЗИП SPC1 150 имеет только визуальную сигнализацию рабочего состояния, а SPC1 150 DS имеет визуальную и дистанционную сигнализацию.

Рис. 2. Принципиальная электрическая схема SPC1 150 DS

Визуальный контроль рабочего состояния УЗИП проводится с помощью индикатора красного цвета, расположенного на корпусе устройства. Дистанционный контроль осуществляется с помощью применения «сухих» контактов дистанционной сигнализации (Рис.3).

Риc.3. Сигнализация рабочего состояния УЗИП серии SPC.

Отличительной особенностью корпуса УЗИП серии SPC является наличие двойных клемм для подключения фазных проводников (L – L’), что позволяет применять схему подключения типа «V»- соединение и использовать провода большего сечения (Таблица 3, схемы Б, Г, Е).

Компания АО «Хакель» выпускает следующие УЗИП класса I+II серии SPC

SPC1 (DS) – однофазные УЗИП комбинированного типа, состоящие из оксидно-цинковых варисторов и разрядника. Выпускаются на номинальное рабочее напряжение U_N= 230 В для сетей переменного и постоянного тока с системами заземления типа TN-S, TT и IT. Способны отводить импульсный ток I_imp(L/N) (10/350)= 12, 20 кА, I_imp(N/PE)(10/350)=20 кА, максимальный разрядный ток I_max(L/N)(8/20)= 90, 150 кА. Обеспечивают уровень напряжения защиты при I_imp – U_p <1300 В.

Рис.4. УЗИП серии SPC1 (DS)

SPC1.0 (DS) – однофазные УЗИП комбинированного типа, состоящие из оксидно-цинковых варисторов и разрядника. Выпускаются на номинальное рабочее напряжение U_N= 230 В для сетей переменного и постоянного тока с системами заземления типа TN-S, TT и IT. Способны отводить импульсный ток I_imp(L/N) (10/350)= 12, 20 кА, I_imp(N/PE)(10/350)=80 кА, максимальный разрядный ток I_max(L/N) (8/20)= 90, 150 кА. Обеспечивают уровень напряжения защиты при I_imp – U_p < 1300 В. УЗИП серии SPC1.0 (DS) отличаются от SPC1 (DS) более мощным разрядником в цепи N-PE способным отводить импульсный ток I_imp(N/PE)(10/350)=80 кА по сравнению с I_imp(N/PE)(10/350)=20 кА в УЗИП серии SPC1 (DS).

Рис.5. УЗИП серии SPC1.0 (DS)

SPC1.1 (DS) – однофазные УЗИП ограничивающего типа, состоящие из оксидно-цинковых варисторов. Выпускаются на номинальное рабочее напряжение U_N= 230 В для сетей переменного и постоянного тока с системой заземления типа TN-C, а также как составные элементы схемы в сетях с системой заземления типа TN-S, TT и IT. Способны отводить импульсный ток I_imp(L/PEN) (10/350) = 12, 20 кА, максимальный разрядный ток I_max(L/PEN) (8/20) ₌ 90, 150 кА. Обеспечивают уровень напряжения защиты при I_imp – U_p < 1300 В.

УЗИП серии SPC1.1 (DS) отличаются от SPC1 (DS) отсутствием разрядника, который обычно включается в цепь N-PE.

Рис.6. УЗИП серии SPC1.1 (DS)

SPC3 (DS) – трехфазные УЗИП комбинированного типа, состоящие из оксидно-цинковых варисторов и разрядника. Выпускаются на номинальное рабочее напряжение U_N= 230/380 В для сетей переменного тока с системами заземления типа TN-S и TT. Способны отводить импульсный ток I_imp(L/N) (10/350) = 12, 20 кА, I_imp(N/PE) (10/350) =20 кА, максимальный разрядный ток I_max(L/N) (8/20) = 90, 150 кА.

SPC3.0 (DS) – трехфазные УЗИП комбинированного типа, состоящие из оксидно-цинковых варисторов и разрядника. Выпускаются на номинальное рабочее напряжение UN= 230/380 В для сетей переменного тока с системами заземления типа TN-S и TT. Способны отводить импульсный ток I_imp(L/N) (10/350) = 12, 20 кА, I_imp(N/PE) (10/350) =80 кА, максимальный разрядный ток I_max(L/N) (8/20) = 90, 150 кА. Обеспечивают уровень напряжения защиты при I_imp – U_p < 1300 В. УЗИП серии SPC3.0 (DS) отличаются от SPC3 (DS) более мощным разрядником в цепи N-PE, способным отводить импульсный ток I_imp(N/PE)(10/350)=80 кА по сравнению с I_imp(N/PE)(10/350)=20 кА в УЗИП серии SPC3 (DS).

Рис.8. УЗИП серии SPC3.0 (DS)

SPC3.1 (DS) – трехфазные УЗИП ограничивающего типа, состоящие из оксидно-цинковых варисторов. Выпускаются на номинальное рабочее напряжение U_N= 230 В для сетей переменного тока с системой заземления типа TN-C. Способны отводить импульсный ток I_imp(L/PEN) (10/350)= 12, 20 кА, максимальный разрядный ток I_max(L/PEN) (8/20)= 90, 150 кА. Обеспечивают уровень напряжения защиты при I_imp – U_p <1300 В. УЗИП серии SPC3.1 (DS) отличаются от SPC3 (DS) отсутствием разрядника, который включается в цепь N-PE.

Рис.9. УЗИП серии SPC3.1 (DS)

С помощью комбинаций однофазных УЗИП серии SPC можно заменять трехфазные УЗИП, варианты замещения приведены ниже.

SPC3 (DS) = SPC1.1 (DS) + SPC1.1 (DS) + SPC1 (DS)

SPC3.0 (DS) = SPC1.1 (DS) + SPC1.1 (DS) + SPC1.0 (DS)

SPC3.1 (DS) = SPC1.1 (DS) + SPC1.1 (DS) + SPC1.1 (DS)

Схемы подключения УЗИП класса I+II

УЗИП может подключаться между фазами, между фазой и землей, между фазой и нейтралью, между нейтралью и землей, или в любой из комбинаций. Под землей подразумевается главный заземляющий шинопровод (ГЗШ) или главный заземляющий зажим (ГЗЗ), соединение с которым будет кратчайшим.

Электрические схемы УЗИП серии SPC собраны по схеме подключения для защиты от противофазных (поперечных) перенапряжений в цепи провод-провод, как наиболее опасных по воздействию на защищаемое оборудование.

Наличие двойных клемм позволяет применять схему подключения типа «V»- соединение. Однако данная схема имеет ограничение по номинальному току 63 А.

Во время своей работы УЗИП серии SPC и включенные с ними последовательно защитные устройства выдерживают временные перенапряжения (ВПН) U_T в течение заданного промежутка времени t_Т по ГОСТ Р 50571.4.44-2019.

Для защиты УЗИП от тока короткого замыкания, который УЗИП не в состоянии отключить самостоятельно, последствий его воздействия на электроустановку и обеспечения непрерывности подачи электропитания, последовательно с УЗИП включаются дополнительные защитные устройства от короткого замыкания – предохранители или автоматы. Для определения необходимости установки дополнительного защитного устройства от короткого замыкания следует сравнить номинальный ток защитного устройства установленного перед УЗИП I_F1 с номинальным током дополнительного защитного устройства рекомендуемого производителем I_F2. Компания АО «Хакель» для защиты УЗИП класса I+II рекомендует применять предохранители с номинальным током 315 А и характеристикой gG.

I_F1≥ I_F2 – устанавливается дополнительный предохранитель,

I_F1≤ I_F2 – без дополнительного предохранителя.

В таблице 1 представлены типовые схемы подключений УЗИП класса I+II для сетей с различными типами систем заземления.

Выбор УЗИП класса I+II

Выбор УЗИП класса I+II производится по следующим характеристикам:

1. Исполнение: однофазное, трехфазное, для постоянного тока;

2. Тип системы заземления: TN-C, TN-S, TT, IT;

3. Номинальное рабочее напряжение;

4. Способность отводить импульсные токи:

а) в цепи L/PEN, L/PE, L/N I_imp (10/350

б) в цепи N/PE I_imp (10/350)

5. Уровень напряжения защиты U_p.

Пункты 1-3 соответствуют характеристикам защищаемой установки. Импульсные токи определяются в соответствии Методики расчета распределения тока, ГОСТ Р 61643-12-2022 Приложение J. Предполагая равномерное растекание тока молнии между системой заземления объекта и системой электропитания можно рассчитать пиковые значения импульсных токов, протекающих через УЗИП в сетях с различными типами системы заземления (Таблица 2) при различных уровнях молниезащиты.

Выбор УЗИП класса I+II по импульсному току необходимо производить запасом 20 – 30 % учитывая возможную неравномерность растекания токов по различным проводникам. Особое внимание необходимо уделить выбору УЗИП для защиты нулевого провода, так как через него может протекать ток до 100 кА (10/350 мкс).

При применении УЗИП серии SPC для защиты оборудования при воздушном вводе электропитания, существует вероятность выхода его из строя при прямом ударе молнии непосредственно в линию электропередачи возле ввода в объект из-за большой энергии тока прямого удара молнии. Для полного исключения такой вероятности применяется многоступенчатая схема защиты с использованием УЗИП класса I и УЗИП класса II.

УЗИП серии SPC обеспечивают безопасный уровень напряжения защиты для электрооборудования объекта и УЗИП последующих ступеней защиты, в соответствии с ГОСТ Р 50571.4.44-2019. Для компенсации падения напряжения на длинных проводниках, для защиты высокочувствительного оборудования дополнительно, непосредственно возле защищаемого оборудования, устанавливаются УЗИП класса III.

Монтаж УЗИП класса I+II

Рис. 10 УЗИП класса I+II установленные в ЩЗИП

УЗИП класса I+II устанавливаются в пределах 0_A(B) - 1 зон молниезащиты во вводно-распределительном устройстве (ВРУ), главном распределительном щите (ГРЩ) или отдельном распределительном щите рядом с вводом электропитания в объект. Монтаж устройств производится на DIN-рейку 35 мм.

АО «Хакель» выпускает распределительные щиты собственного производства с установленными УЗИП различных классов - щитки защиты от импульсных перенапряжений низковольтные комплектные - ЩЗИП, ТУ 3434-001-79740390-2007. ЩЗИП, производства АО «Хакель», изготавливаются из комплектующих ведущих мировых производителей, отличаются высоким качеством сборки, соответствуют требованиям электромагнитной совместимости, имеют сертификат соответствия №ЕАЭС RU C-RU.МЛ02.В.00400/22 соответствующий требованиям ГОСТ Р 51321.1-2007. Каждый ЩЗИП изготавливается по индивидуальному проекту, учитывающему все особенности объекта. Для выбора и заказа ЩЗИП необходимо заполнить опросный лист, размещенный на сайте www.hakel.ru в разделе Информация, и переслать в технический одел АО «Хакель».

При подключении проводников к УЗИП необходимо избегать образования петель из-за воздействия электродинамических сил в момент прохождения импульсных токов, совместной прокладки защищенного и незащищенного участков проводника, защищенного и заземляющего проводников. Варианты прокладки проводников различного назначения приведены на Рис. 11.

а)      б)    в)

Рис. 11. Варианты прокладки защищённых и влияющих проводников

а), б) – неправильная       в) – правильная

Размещение УЗИП должно быть выполнено таким образом, чтобы расстояния между точкой подключения, УЗИП и землей были минимальными, а соединительные проводники между ними проложены кратчайшим путем, так как из-за паразитной индуктивности на соединительных проводниках в момент прохождения импульсного тока возникает падение напряжения, которое в свою очередь прикладывается к нагрузке.

Для уменьшения уровня напряжения, прикладываемого к нагрузке, рекомендуется использовать соединительные проводники длиной не более 0,5 м. а также применять схему подключения типа «V»- соединение, при котором УЗИП «последовательно» включается с нагрузкой.

Применять «V» - соединение для подключения УЗИП возможно как при исполнении с одинарными клеммами, так и при исполнении с двойными клеммами. Ограничением для этой схемы является сечение присоединяемых проводников для одинарных клемм и значение номинального тока для перемычки между двойными клеммами.

Для подключения УЗИП к фазным и нулевым проводникам рекомендуется использовать провод с минимальным сечением 16 мм² Cu. Соединение с землей можно выполнять проводом с минимальным сечением 16 мм², однако рекомендуется применять провод с сечением 25 мм², а в случае воздействия половины тока молнии и с сечением 35 мм².

Литература:

1. ГОСТ IEC 61643-12-2022 «Устройства защиты от импульсных перенапряжений низковольтные. Часть 12. Устройства защиты от импульсных перенапряжений в низковольтных силовых распределительных системах. Принципы выбора и применения»;

2. МЭК 62305 «Защита от удара молнии» Части 1-4;

4. СО–153-34.21.122-2003 «Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций»;

5. 2. ГОСТ Р 50571.4.44 – 2019 «Электроустановки низковольтные. Часть 4.44. Защита для обеспечения безопасности. Защита от резких отклонений напряжения и электромагнитных возмущений»;

6. ГОСТ 2.727—68 «Обозначения условные графические в схемах. Разрядники; предохранители»;

7. ГОСТ 2.728—74 «Обозначения условные графические в схемах. Резисторы, конденсаторы»;

8. ГОСТ Р 50571.5.53-2013 «Электроустановки низковольтные. Часть 5-53. Выбор и монтаж электрооборудования. Отделение, коммутация и управление»

9. ГОСТ Р 50571.4.44-2019 «Электроустановки низковольтные. Часть 4-44. Требования по обеспечению безопасности. Защита от отклонений напряжения и электромагнитных помех»

10. ПУЭ (7-е изд.);

11.Технические материалы компании АО «Хакель».